熱塑性碳纖維復合材料如何增韌？4種可行方案

　　熱塑性碳纖維是碳纖維產業(yè)未來發(fā)展的重要方向，因其高強的機械性能和可重塑加工的特性，對于熱塑性碳纖維產品的加工和重復利用可以發(fā)揮較大的作用。熱塑性碳纖維適用于航空航天等高端領域，其耐高溫性能更出色，應用場景更全面?，F(xiàn)階段，可用于批量制備的熱塑性碳纖維種類并不多，包括CF/PEEK、CF/PPS、CF/PA等。

　　為了滿足航空航天等行業(yè)的實際使用需求，可能需要對以上復合材料進行一定的改性，比如增加其韌性等。想要增加熱塑性復合材料的韌性，可以從多個方面著手，比如添加增韌劑或加入其他增強體，也可以利用物理或化學方式對碳纖維表面進行改性增韌，還可以通過對成型工藝的調整促使復合材料達到增韌的效果。

　　1、增韌劑共混增韌：復合材料改性中，物理共混改性是最簡單和最常用的改性方法。熱塑性碳纖維復合材料的性能與碳纖維和熱塑性樹脂基體間的界面結合狀態(tài)密切相關。為了增加復合材料韌性，可加入一定的增韌劑，起到改善材料界面結合效果，提升復合材料的韌性的作用。

　　馬來酸酐（MAH）可以與聚酰胺（PA）產生反應增容，二者相容性好，由于MAH和PA良好的相容性，增韌劑能快速分散到PA基體中。研究表明，對于PA6/CF復合材料，增韌劑POE?g?MAH的加入可顯著提高復合材料的沖擊性能，沖擊強度從6.2kJ/m２提升至9.0kJ/m２，增韌效果明顯。

　　不足之處：合理的增韌劑添加量有助于復合材料韌性的提升，但增韌劑含量的增加可能會導致粒徑過大和分散效果降低等問題，影響材料的其他力學性能，所以需控制增韌劑的合適添加。

　　2、增強體混雜增韌：在熱塑性碳纖維復合材料中添加除碳纖維和熱塑性樹脂外的其他增強體材料，如玻璃纖維（GF）、芳綸纖維（AF）和碳納米管等，來提升熱塑性碳纖維復合材料的韌性，同樣可以達到增韌的效果。

　　實驗表明，將在PA66中加入CF、GF和POE?g?MAH,制備混雜纖維/POE?g?MAH復合增強PA66材料，當玻璃纖維添加量為15%時，增韌效果最佳，比CF單獨填充沖擊強度提高了34.02%，提升效果明顯。制備CF/PET復合材料時，將芳綸纖維包覆其中進行改性，復合材料的沖擊強度提升顯著，包覆一層提升65.8%，包覆兩層提升45.6%，增韌效果提升明顯。

　　有研究發(fā)現(xiàn)，結合了CF和埃洛石納米管（HNTs）2種增強材料的優(yōu)勢，研究了HNTs與CF協(xié)同增韌增強PA6的效果。力學性能測試結果表明，PA6/30%CF/10%HNTs具有最大沖擊強度8.9kJ/m2，HNTs對PA6/CF復合材料具有增韌效果，且HNTs與CF在增韌方面具有協(xié)同作用。

　　3、碳纖維表面處理：未經改性處理的碳纖維脆性大表面惰性強，缺少活性基團，導致碳纖維與熱塑性樹脂基體的相容性差，界面結構和性能受到影響。而通過對碳纖維的表面處理，可增加其表面化學活性、表面自由能或表面粗糙度，可幫助改善碳纖維與熱塑性基體間的潤濕程度，進而提高復合材料的綜合性能，包括其自身韌性。對于碳纖維表面的處理方式有多種，其中包括上漿劑處理、表面物理改性和表面化學改性。

　　上漿劑對復合材料界面性能的提升可通過浸潤、黏附等物理作用及碳纖維表面大量活性基團與基體結合，產生共價鍵結合的化學作用實現(xiàn)。實驗數(shù)據(jù)顯示，己二酸等原料熔融縮聚合成熱塑性共聚酰胺，并將其配制成上漿劑（co?PA），對PA6/CF復合材料進行上漿改性。4%最佳上漿劑含量下，復合材料的界面剪切強度（IFSS）達37.6MPa,比未上漿PA6/CF提升了43.76%。

　　碳纖維表面物理改性方法還有超聲分散、表面活性劑處理及電化學沉積法等。實驗數(shù)據(jù)顯示，用聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）對氧化石墨烯進行修飾（P?SG）并與CF混合超聲處理，使P?SG成功附著在CF表面得到PA6/C?SG復合材料。結論為改性復合材料的沖擊強度隨著碳纖維含量的增加而顯著增加，碳纖維含量為13%時的沖擊強度為36.52kJ/m2，沖擊性能提高了113.17%。

　　碳纖維表面化學改性是將碳纖維放入溶液環(huán)境中，通過選擇性地修飾材料表面以賦予更多的活性基團，增加界面結合力；或用其他溶劑，改善CF表面的粗糙程度，以控制表面的化學性能，其中偶聯(lián)劑法是較為常用的化學改性方法之一。實驗數(shù)據(jù)顯示，用硅烷偶聯(lián)劑（KH550）對碳纖維進行表面化學改性，制備PA6/CF復合材料時，無缺口沖擊試驗結果改性碳纖維含量為20%時，PA6/CF的無缺口沖擊強度達最大值（18.5±0.6）kJ/m2，比未處理相應含量高達52%。

　　4、加工成型工藝調控：熱塑性碳纖維復合材料板材的成型加工以及材料部件連接技術也是影響最終材料性能的重要影響因素?？赏ㄟ^控制材料成型過程中的成型溫度、成型壓力等，調控復合材料的界面結合情況，改變界面性能。

　　成型溫度越高，樹脂基體黏度越低，流動性更好，對碳纖維的浸潤更完全，界面接觸面積增大，故同等裂紋擴展長度下，試樣撕裂所需要的載荷值越大，即Ⅰ型層間斷裂韌性越高。對于成型壓力，在高壓下，因分子鏈運動受阻，樹脂與基體無法更好浸潤，需選取適當?shù)膲毫Τ尚蜅l件。適當?shù)慕禍厮俾室嗫墒箯秃喜牧系捻g性得以提升。

　　另外不同的成型方法對材料的最終力學等其他性能也有著顯著的影響。實驗數(shù)據(jù)表明，分別采用擠出/注射工藝和長纖維熱塑性塑料（LFT）/注射成型工藝的ABS/CF復合材料，并對比了2種工藝對材料的纖維長度分布、拉伸、沖擊等性能的影響。結果表明，ABS/L?CF復合材料中的最小CF長度約為ABS/E?CF復合材料中最大纖維長度的3倍。ABS/L?CF的沖擊強度ABS/ECF高約105%~155%。

　　國內外對于熱塑性碳纖維復合材料的研究從未停止，增加韌性只是其中的一個研究方向。作為前沿的新型復合材料，熱塑性碳纖維的潛力巨大，同樣將之轉化為產業(yè)助力的難度也同樣巨大。熱塑性碳纖維的性能想要更完整更成熟的投入應用，類似增韌等方向的研究就不可缺少，基礎足夠牢靠，碳纖維產業(yè)的發(fā)展才能足夠牢固。